1.1研究背景

螺杆形混凝土灌注桩施工技术，是一种应用于建筑基础桩施工的新技术。它所形成的螺杆桩的承载力比一般的钻孔灌注桩高出一倍以上，还节省30%的混凝土，经济效益明显。螺杆桩适用于高层建筑、高铁桥梁等基础工程，使用范围大，行业中认可度高。螺杆桩在施工过程中要采用专用的螺杆桩机钻孔。成桩时，动力头在直流电机控制下带动螺杆钻具旋转运动，同时在链条的拉力下沿主塔轨道做竖直上下移动。下钻时，动力头正钻，挤压土体形成螺杆桩圆柱段及螺纹段孔。当设计深度较长时由于钻具长度不足，需提钻至一定高度后才能继续下钻并反复多次直至达到设计深度，提钻时，动力头反转，链条带动钻具及动力头上升，采用同步技术，通过电气控制系统控制动力头转速与链条速度实现钻头旋转过程与提升过程完全同步化，成孔后提升钻杆至地面，在提钻同时管内泵压混凝土灌注，最后放入钢筋笼成桩。由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况，螺杆桩机的钻具及动力头中零部件容易出现疲劳断裂、弯曲变形等问题，一旦出现问题，不仅需耗费大量经济时间成本检查维修，同时严重降低施工效率、耽误工程进度。因此为避免再次发生事故，必须针对失效原因进行分析并找出解决方法。图1为某型号螺杆桩机的动力头部分。

图1

螺杆桩机动力头部分包括提供动力的两个同步电机以及由两级NGW型行星轮系及一个定轴轮系组成的减速器部分。各级轮系参数如下表所示：

表1 第一级行星轮系设计参数

表2 第二级行星轮系设计参数

表3 第三级定轴斜齿轮轮系设计参数

其中第一级行星轮系及电机输入端转速较高扭矩较小强度足够，因此强度分析与增强设计的重点在第二级行星轮系与定轴轮系部分。为了得到较为准确地分析结果，须对减速器中的各齿轮、轴、轴承、行星架等零件、标准件及减速器箱体等逐一进行强度校核计算。

1.2国内外相关研究现状

1.2.1疲劳研究现状

疲劳研究在国外发达国家开展较早，自二战以来发展迅速。2014年，C.Roux X.Lorang、H.Maitournam和M.L.Nguyen-tajan研究了一种承受多参数可变疲劳载荷的火车轮设计的评估优化方法，并且该方法结合了有限元计算和疲劳等效对结构的疲劳进行了评估，最终得出结构的失效概率是由局部的疲劳等效应力和疲劳强度分布之间的干扰来直接获得。2013年，B.Echard，N.Gayton，A.Bignonnet等学者通过已有的频域法以及应力强度法的研究对比，提出了一种疲劳设计的可靠性分析方法，克服了应力强度方法的限制，并且能够精确的对失效概率进行评估以及对影响可靠度的各种随机变量进行量化。2013年，S.Netpu和Panya Srichandr对泰国发电站一个失效的斜齿轮进行研究，通过对断裂表面的宏观与微观检查，以及对齿轮材料的微观结构和微观硬度的检查与测试，得到了疲劳断裂的原因，以及裂纹的产生位置和发展过程。2005年，Osman Asi对汽车齿轮箱里的斜齿轮进行了失效分析，指出对于齿轮的失效分析，首先要对其进行完整性评价，最终发现造成失效的主要原因仍然是斜齿轮安装不准确。Deepak malgar， N.G.S.Udupa运用3D模型和有限元分析方法对齿轮轮齿的弯曲疲劳进行分析，发现齿根圆角半径对于齿轮设计是一个重要的几何参数，并且随着轮齿齿根圆角半径的增大，齿轮最大弯曲应力会随之减少，除此之外对于齿轮寿命也会有所提高。

我国对机械疲劳的研究相比国外其他国家相对较晚，并且仅仅个别单位在上世纪五六十年代做了一些疲劳性试验工作。由于研究工作开展较晚，研究水平并不高，因此仅仅是为了处理一些实际的生产问题进行研究。自改革开放开始，我国的一些科研院所以及厂矿企业开始系统的对产品的疲劳设计方法以及材料疲劳性能进行试验研究，其中研究成果较为突出的是航空航天部门。如今我国的科研技术人员已经对疲劳产生的机制、疲劳失效原因分析以及裂纹扩展等疲劳相关问题做出了众多的工作。

2013年，北京大学的张大奕，刘树国等学者对润滑泵里的微型直齿锥齿轮的弯曲疲劳失效通过有限元法进行了分析，发现机加工对于疲劳损伤影响很大。2011年，林晓斌通过对造成金属疲劳失效原因的分析，总结出了疲劳分析的三种典型的方法，最终对疲劳的耐久性概念及其作用进行了阐述，为今后企业抗疲劳设计提供了方向。王国军，闫清东以材料弯曲疲劳特性为理论基础，运用了有限元分析技术对齿轮齿根进行了静应力分析，并以多轴疲劳设计准则为依据，计算出了齿轮的弯曲疲劳寿命，解决了材料疲劳特性资料不足以及应力计算不准确等问题对传统疲劳寿命计算的影响。周威、王刚为了使浮动簧的抗疲劳性能和可靠度得到提升，因此对浮动簧采取强压处理，由分析结果发现，通过对弹簧进行强压处理，可提高弹簧的抗疲劳特性和可靠性。

1.2.2减速器研究现状

减速器在国内外拥有不同的标准系列。国外应用较多的主要有:德国SEW、FLENDER、NORD、LENZE以及日本住友(SUMITOMO)的系列产品。而如今高速化、高可靠度、小型化、噪声低已成为国外减速器产品的发展方向，并且CAD技术和优化设计在减速器设计中也得到了普遍应用。而我国应用的减速器系列主要有: ZY系列标准减速器，以及ZDY、ZLY、ZSY(ZBJ19004 -88)等系列减速器。而我国通过对ZBJ19004-88进行改进形成标准减速器系列，除此之外南京高速级齿轮厂通过自主研发，设计了P和YN系列减速器。其中P系列减速器在我国减速器系列中较为先进，在相同的功率型号中，具有较高的承载能力、重量轻、尺寸小等优点。综上可知我国现有的减速器与国外减速器相比，性能还是有一定的差距。

2006年，李芳对差动减速器进行研究，在起重机起升与变副结构中运用差动减速器，实现起重机吊重在变副过程中的运动，进而减少功率损耗和整体的重量。2011年，闻步正对ZL50轮式装载机驱动桥主减速器进行了疲劳可靠性研究，通过对减速器失效原因的分析，指出单齿啮合接触疲劳和齿轮弯曲疲劳失效是影响减速器可靠度的主要因素。2014年，孙奎洲、周金宇和冯虎田通过假设减速器齿轮轴的疲劳失效是-一个随机事件，以应力一强度干涉理论为理论基础，并将由于零件的几何形状的原因产生的应力集中以及尺寸系数等因素的作用考虑在内，最终绘制出齿轮轴的疲劳极限图，以验证设计结果的正确性。2015年盖苗苗以矿用减速器为研究对象，通过运用逐步优化方法对减速器齿轮参数进行优化确定，以优化结果为基础建立模型，比较了串联系统可靠度与多模式失效可靠度的大小，进而验证了蒙特卡洛法的正确性。王权以渐开线变位斜齿轮为研究对象，运用ANSYS建立了齿轮的接触分析模型，通过对齿轮动态啮合的仿真分析，得出齿轮的最恶啮合位置，并对齿轮该位置进行接触强度分析，根据分析结果对齿轮疲劳寿命进行了仿真计算，计算结果可信度较高。

1.2.3优化设计方法研究现状

优化设计随着计算机技术的不断发展成为一门新兴的学科，由于具有较强的实践性以及发展迅速，已广泛应用于工程设计的各个领域。优化技术不仅可以解决问题，并且还可以根据设计要求，在众多的设计方案中为设计者选择出最佳的解决方案，因此为工程设计领域提供了一种崭新的科学设计方法。而拓扑优化、多目标优化以及不确定性优化等也将成为结构优化的重要发展方向。

2015年逯振国等学者以采煤机减速器主轴为研究对象，使减速器在满足结构及强度设计要求的基础上，对主轴进行静力学分析和质量优化，降低了减速器的自重,并使减速器的功率得到提高,为减速器轻量化设计指定了新的方法。杨兵宽以一种新型的行星减速器为研究对象，运用Matlab软件为工具，对行星减速器主要的承载构件行星架和箱体部分进行了结构优化设计。杨长辉等以某型号越野车主减速器壳体作为研究对象，通过以拓扑优化中的变密度法为研究方法，在满足减速器结构强度及刚度设计要求的基础下，对壳体进行优化设计，减轻减速器壳体自重。朱航生以汽车主减速器为对象进行研究，主要以优化齿轮参数和改变减速器壳体材料的方法，降低齿轮尺寸和减速器壳体尺寸，以达到降低减速器整体自重，完成轻量化的目的。赵紫纯使用三维软件建立了某卡车车架结构进行了静强度分析，并根据分析结果基于OptiStruct平台对该车架进行优化设计分析，使车架质量减轻了20.11%， 实现了轻量化的目的，验证了车架轻量化技术途径的合理性。董立立等人以优化的现状为基础，对传统的优化设计与现代的优化设计方法进行了比较，阐述其各自的优缺点。黄晶晶通过对双梁桥式起重机原小车的起升结构与运行结构的传统传动方案的研究，并针对其进行改进设计方案，运用Ansys进行验证，达到轻量化的目的。徐新辉以最大应力和刚度一致原则，考虑实际的载荷工况，运用Ansys对大型龙门起重机变截面主梁进行了有限元分析和结构优化。

综上所述，虽然国内外研究学者分别对结构优化和疲劳性能进行的研究较多，但主要是对齿轮或者箱体进行优化或者是疲劳分析，而对于减速器整体结构进行优化及寿命计算研究的较少。

1.3研究目的

本课题旨在对给定螺杆桩机动力头中减速器部分进行静强度分析，要求运用传统强度校核方法或有限元计算分析方法，较为准确地分析出减速器中各主要关键零件的受力情况与安全系数。针对强度不足的部分，选择恰当的强度增强方法，并再次进行强度核算，直到满足给定工况所需强度，完成螺杆桩机动力头改进设计。

1.4研究意义

螺杆桩机作为螺杆桩的专用机具，在高层建筑、高铁桥梁等基础工程有较高的使用率，本课题对螺杆桩机的动力核心动力头部分进行的强度分析与增强设计，对螺杆桩机的生产、改进、维修都具有指导意义。同时，课题中对齿轮、轴以及轴承、键等工程通用零件运用的传统强度计算方法及有限云分析计算方法，对其他类似机械、减速器的分析与改进具有较好的借鉴意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

本课题“螺杆桩机动力头强度分析与增强设计”针对给定型号的螺杆桩机动力头减速器部分，对各零部件进行了较为准确的强度分析，并对强度不足部分提出了核算合格后的优化设计方案，完成螺杆桩机动力头改进设计。

主要工作内容包括：

第一章：绪论

主要介绍本毕业设计的研究背景、目的与意义及研究内容，并介绍了减速器及相关零部件强度分析与优化设计的国内外研究现状。

第二章：强度计算

根据设计工况与给定参数，进行螺杆桩机动力头的强度计算，对比原有计算方法和数据，分析强度的可靠性。

第三章：强度优化与校核计算

根据计算分析结果，针对强度不足环节，选择合适的强度增强方法，并重新进行强度验算，若强度不足则改进方案并继续验算，直到满足要求。

第四章：完成改进

改进满足要求后，绘制装配图纸与主要零件图纸，并反复校正修改至完整图纸。

第五章：总结、分析与展望

2.2研究目标

（1）对给定工况及已知参数下的螺杆桩机动力头进行强度计算与分析；

（2）针对强度不足部分，提出有效改进方案并进行强度验算直至满足要求。

2.3拟采用的技术方案及措施

2.3.1 齿轮强度计算及校核

对齿轮的齿面接触疲劳强度分析、齿根弯曲疲劳强度分析，传统的计算方法以W.Lewis公式与H.Hertz公式为基础，考虑实际工作状况适当选择修正参数，可以得到较为准确的结果。由机械设计手册可得以下计算公式：

1. 齿根弯曲疲劳强度计算公式

   式中：—使用系数，—动载系数，—齿向载荷分布系数，—齿间载荷分配系数，—复合齿形系数，—抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数，Ft：分度圆上的圆周力

2. 齿轮接触疲劳强度计算公式

   式中：—使用系数，—动载系数，—齿向载荷分布系数，—齿间载荷分配系数，—材料弹性系数，—节点区域系数，—接触强度计算的重合度与螺旋角系数，—分度圆上的圆周力，

2.3.2轴强度计算与校核

轴的强度分析校核既可采用传统的计算方法即材料力学中的画弯矩图并校核危险截面法，也可采用有限元软件分析方法，由于本课题中轴上装有多个轴承、键、齿轮，受力情况较为复杂，故拟采用有限元方法建模分析强度。

2.3.3标准件的计算与校核

对于减速器中的花键、普通平键、轴承、螺栓等标准件，均可采用传统计算公式得到较为准确的计算值。

2.3.4特殊零件的有限元计算

减速器箱体、行星架等非标准零件，由于没有固定的公式计算，对关键件必须使用有限元分析方法。本设计中拟使用三维软件建模并导入ANSYS有限元分析软件分析校核其强度。

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1.1研究背景

螺杆形混凝土灌注桩施工技术，是一种应用于建筑基础桩施工的新技术。它所形成的螺杆桩的承载力比一般的钻孔灌注桩高出一倍以上，还节省30%的混凝土，经济效益明显。螺杆桩适用于高层建筑、高铁桥梁等基础工程，使用范围大，行业中认可度高。螺杆桩在施工过程中要采用专用的螺杆桩机钻孔。成桩时，动力头在直流电机控制下带动螺杆钻具旋转运动，同时在链条的拉力下沿主塔轨道做竖直上下移动。下钻时，动力头正钻，挤压土体形成螺杆桩圆柱段及螺纹段孔。当设计深度较长时由于钻具长度不足，需提钻至一定高度后才能继续下钻并反复多次直至达到设计深度，提钻时，动力头反转，链条带动钻具及动力头上升，采用同步技术，通过电气控制系统控制动力头转速与链条速度实现钻头旋转过程与提升过程完全同步化，成孔后提升钻杆至地面，在提钻同时管内泵压混凝土灌注，最后放入钢筋笼成桩。由于恶劣的工作环境和复杂的受力情况，螺杆桩机的钻具及动力头中零部件容易出现疲劳断裂、弯曲变形等问题，一旦出现问题，不仅需耗费大量经济时间成本检查维修，同时严重降低施工效率、耽误工程进度。因此为避免再次发生事故，必须针对失效原因进行分析并找出解决方法。图1为某型号螺杆桩机的动力头部分。

图1

螺杆桩机动力头部分包括提供动力的两个同步电机以及由两级NGW型行星轮系及一个定轴轮系组成的减速器部分。各级轮系参数如下表所示：

表1 第一级行星轮系设计参数